Kuinka suuri taajuus tarvitaan, jotta viinilasi särkyy?

Stian Mork

 

Stian Mork &
Eirin Holmstrøm

 
Eräänä päivänä meiltä kysyttiin, kuinka paljon melua tarvitaan, jotta viinilasi särkyy. Tämä tietysti herätti mielenkiintomme, ja käännyimme SOLIDWORKSin puoleen nähdäksemme, tarjoaako ohjelma jotain analyyttisia työkaluja ongelman ratkaisuun. Tarvitsimme siis työkalun, jolla voisimme analysoida melun vaikutusta viinilasin eheyteen.

Ennen analysoinnin aloittamista on hyvä ymmärtää, mikä todellisuudessa aiheuttaa viinilasin särkymisen.

Ääni syntyy tunnetusti ääniaalloista. Jokaisella äänen eri tasolla on oma taajuutensa. Taajuus = vaihtelujen määrä per sekunti (kun ääniaallot kääntyvät). Vastaavasti kaikilla eri rakenteilla on omat resonanssitaajuutensa, toisin sanottuna taajuudet, jotka on helposti jäsenneltävissä.

Tosielämän esimerkki on Tacoma Narrows Bridge, joka tunnetaan myös Galloping Gertiestä. Siinä unohdettiin, että rakennustyöt voisivat alkaa resonoida tuulikuormien kanssa, ja seuraus oli katastrofaalinen.

Lasin räjähtämisen aiheuttaa kaksi eri tekijää yhdessä. Lasin pitää heilua (samalla tavalla kuin Tacoma Narrow Bridge), ja lasiin pitää osua ääniaaltojen taajuus. Ei siis ole kyse pelkästään siitä, kuinka voimakkaasti ääni kuuluu (yli 100db), mutta tärkeää on ääniaaltojen taajuus (tumma >< valo).

Lasin 3D-skannaus

Jotta saisimme selville, kuinka paljon ääntä lasiin pitää ”latautua” jotta se särkyy, suoritamme taajuusanalyysin SOLIDWORKS Simulation Professionalin avulla. Analyysia varten tarvittiin viinilasista 3D-malli, joten 3D-skannasimme työkaverini kanssa oikean viinilasin ja muokkasimme sen 3D-malliksi.

Taajuusanalyysi

Skannattu malli avattiin SOLIDWORKSissa.

wineglass-plmg_1

Analyyseista valitsin Frequency-analyysin, joka mittaa taajuuksia. Se löytyy SOLIDWORKS Simulation Professional -paketista, ja sen avulla voidaan helposti määrittää sekä komponenttien ja kokoonpanojen omia taajuuksia.

wineglass_plmg2

Käytetty materiaali on tietenkin lasi (haettu SOLIDWORKSin oletusmateriaalien tietokannasta).

wineglass-plmg3

Kiinnitämme lasin jalan mitat tasoon kiinni (tämä tarkoittaa sitä, että myös lasin alapuoli on lukittava 100% fyysisessä testissä, jotta saadaan aikaan haluttu tulos).

wineglass_plmg4

Tutkimme, kuinka lasi liikkuu juuri ennen kuin se hajoaa. Sen jälkeen ymmärsimme, että etsimme ensimmäistä taajuutta, joka saa lasin yläosan liukumaan vinoon.

Glassbreak(Youtube_Marty33)

YouTube: Wine glass resonance in slow motion

Kaikilla rakenteilla on ääretön määrä resonanssitaajuuksia. Olemme siis epävarmoja siitä, missä edellämainittu taajuus on. Siksi testasin 10 pienintä resonanssitaajuutta lasille.

wineglass_plmg5

 

Huomasimme, että alimmilla taajuuksilla esiintyneet värähtelyt johtivat siihen, että lasi kääntyi sivuittain stentistä. Tämä ei ole se taajuus jota etsimme, sillä se ei aiheuta lasin särkymistä.

wineglass_plmg5

Vain taajuusmuodossa 4 (500 Hz) tapahtuu jotain. Jos animoimme värähtelyä tässä taajuudessa, näemme, että tämä sopii hyvin videon ylemmälle tasolle.

Toisin sanottuna – jos luomme 500 Hz:n äänitaajuuden ja yli 100 dB:n melutason, niin teoriassa lasin pitäisi särkyä.

wineglass_plmg7

 

Tässä esimerkissä käytetyt taajuusanalyysit ovat osa SOLIDWORKS Simulation Professional -ohjelmaa. Mikäli haluat lisää tietoa ohjelmistoista ja niiden mahdollisuuksista, ota yhteyttä myyntiin tästä tai lue lisää sivuiltamme.